《材料性能学》7章电子教案.ppt

第七章 材料的高温力学性能n概述n 在航空航天、能源和化工等工业领域，许多机件是在 高温下长期服役的，如发动机、锅炉、炼油设备等，它们 对材料的高温力学性能提出了很高的要求．正确地评价材 料、合理地使用材料、研究新的耐高温材料，成为上述工 业发展和材料科学研究的主要任务之一．n一、温度对材料的力学性能影响n１、金属材料随着温度的升高，强度极限逐渐降低 ；n２、断裂方式由穿晶断裂逐渐向沿晶断裂过渡；1一、温度对材料的力学性能影响n３、常温下可以用来强化钢铁材料的手段，如 加工硬化、固溶强化及沉淀强化等，随着温度 的升高强化效果逐渐消失；n4、对常温下脆性断裂的陶瓷材料，到了高温 ，借助于外力和热激活的作用，形变的一些障 碍得以克服，材料内部质点发生了不可逆的微 观位移，陶瓷也变为半塑性材料.n5、高分子材料的粘弹性又使其具有不同于其 他材料的高温性能特点．2第一节 高温蠕变性能n材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变．n蠕变：所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒 载荷作用下（即使应力低于弹性极限）缓慢地 产生塑性变形的现象．由于这种变形而最后导 致材料的断裂称为蠕变断裂．n一、蠕变的一般规律n 严格地讲，蠕变可以发生在任何温度，在 低温时，蠕变效应不明显，可以不予考虑；约 比温度大于0．3时，蠕变效应比较显著，此时 必须考虑蠕变的影响，如碳钢超过300℃、合金 钢超过400℃，就必须考虑蠕变效应． 3一、蠕变的一般规律１、蠕变曲线：时间 与应变量之间的关系 曲线称为蠕变曲线. OA线段是施加载 荷后，试样产生的瞬 时应变，图中ABCD曲 线即为蠕变曲线．曲 线上任一点的斜率， 表示该点的蠕变速率（dε／dt）．按照蠕变速率的 变化，可将蠕变过程分为3个阶段．4一、蠕变的一般规律n第Ⅰ阶段：AB段，称为减速蠕变阶段（又称过 渡蠕变阶段），这一阶段开始的蠕变速率很大 ，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到B 点，蠕变速率达到最小值n第Ⅱ阶段：BC段，称为恒速蠕变阶段（又称稳 态蠕变阶段），这一阶段的特点是蠕变速率几 乎不变．一般所指的材料蠕变速率，就是以这 一阶段的蠕变速率来表示的．n 5一、蠕变的一般规律n第Ⅲ阶段：CD段，称为加速蠕变阶段（又称为失稳 蠕变阶段），随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大 ，到D点发生蠕变断裂．n蠕变与时间的关系可以表示为：n ε＝ε0 + f(t) + Dt + φ(t)n其中：ε0为瞬时应变；f（t）为减速蠕变；Dt为恒 速蠕变；φ(t)为加速蠕变．6一、蠕变的一般规律n2、蠕变曲线随应力和温度的变化7一、蠕变的一般规律n（１）恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度 ，蠕变曲线都将发生变化．当减小应力或降低温度 时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；n（２）当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩 短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ 阶段而断裂．8一、蠕变的一般规律n３、高分子材料的蠕变特性n由于它的粘弹性决定了与金属材料、陶瓷材料不同的 蠕变特性，其蠕变曲线如下图所示．9一、蠕变的一般规律n蠕变曲线也可分为3个阶段n第Ⅰ阶段：AB段，为可逆形变阶段，是普通的 弹性变形，即应力和应变成正比；n第Ⅱ阶段：BC段，为推迟的弹性变形阶段，也 称高弹性变形发展阶段；n第Ⅲ阶段：CD段，为不可逆变形阶段，是以较 小的恒定应变速率产生变形，到后期，会产生 颈缩，发生蠕变断裂．10一、蠕变的一般规律n 蠕变回复：对于高分子材料来说弹性变形 引起的蠕变，当载荷去除后，可以发生回复， 称为蠕变回复。

这是高分子材料的蠕变与其他 材料的不同之一．材料不同或试验条件不同时，蠕变曲线的 3个阶段的相对比例会发生变化，但总的特征 是相似的．11二、蠕变变形及断裂机理n1．蠕变变形机理n 位错滑移n 原子扩散n材料的蠕变变形机理 晶界滑动n 子链段沿外力的舒展n （对于高分子材料） n n 12二、蠕变变形及断裂机理（1）位错滑移蠕变机理 材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的，即：在一定的载荷作用下，滑移面上的位错 运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就 不能继续滑移，只能产生一定的塑性变形；在常 温下，如果要继续产生塑性变形，则必须提高载 荷，增大位错滑移的切应力，才能使位错重新增 殖和运动;在高温下，由于温度的升高，原子和空 位运动所需要的热激活降低，使得位错可以克服 某些障碍物得以继续运动，继续产生塑性变形． 这就导致了高温蠕变的产生n 13二、蠕变变形及断裂机理n 刃型位错的攀移n 螺型位错的交滑移n位错的热激活方式：位错环的分解n 割阶位错的非保守运动n 亚晶界的位错攀移14二、蠕变变形及断裂机理15二、蠕变变形及断裂机理n在蠕变第Ⅰ阶段由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错 源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致 使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶 段．n在蠕变的第Ⅱ阶段由于形变硬化的不断发展，促进了动态回 复的发生，使材料不断软化．当形变硬化和回 复软化达到动态平衡时，蠕变速率遂为一常数 ，因此形成了恒速蠕变阶段．16二、蠕变变形及断裂机理n（２）扩散蠕变机理 n 在较高温度下，原子和空位n可以发生热激活扩散，在不受外n力的情况下，它们的扩散是随机n的，在宏观上没有表现．但是在n外力作用下，晶体内部产生不均n匀应力场，原子和空位在不同的n位置具有不同的势能，它们会由n高势能位向低势能位进行定向扩n散，如图所示 17二、蠕变变形及断裂机理n 在拉应力的作用下，晶体ABCD晶界上的空 位势能发生变化，垂直于拉应力轴的晶界（图 中A、B晶界）处于高势能态．平行于拉应力轴 的晶界（图中C、D晶界）处于低势能态．因此 ，导致空位由势能高的A、B晶界向势能低的C 、D晶界扩散．空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从 而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴 方向收缩，致使晶体产生扩散性蠕变．18二、蠕变变形及断裂机理n（３）晶界滑动蠕变机理 n 晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变 形，在常温下，可以忽略不计；在高温时，晶 界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生 蠕变．n 对于金属材料和陶瓷材料，在外力作用下 ，晶粒发生弹性位移而产生蠕变的贡献不大． 主要的还是空位的定向扩散而引起的蠕变。

19二、蠕变变形及断裂机理n（４）粘弹性机理 n 高分子材料在恒定应力的作用下，分子链由卷 曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值减 小的过程．当外力减小或去除后，体系自发地趋向 嫡值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲状态回 复，表现为高分子材料的蠕变回复特性． n2．蠕变断裂机理（蠕变断裂有两种情况）：n一种情况：是对于那些不含裂纹的高温机件，在高 温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机 件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力 的降低以及环境损伤导致的断裂；20二、蠕变变形及断裂机理n 另一种情况: 是高温工程机件中，原来就 存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主 裂纹的扩展引起的， n 晶间断裂：是蠕变断裂的普遍形式，高温 低应力下情况更是如此，这是因为温度升高， 多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降 低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低 的缘故．21二、蠕变变形及断裂机理n晶界断裂有两种模型：n（１）、模型Ⅰ（晶界滑动和应力集中模型）认为在蠕变温度下，持续的恒载将导致位 于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然 在三晶粒交界处形成应力集中，如果这种应力 集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶 界的迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的 结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂， 形成楔形空洞．22二、蠕变变形及断裂机理n（２）、模型Ⅱn 认为在垂直于拉应力的晶面上，当应力水 平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空 洞，在应力的作用下，空位由晶内和沿晶界继 续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接成裂 纹，当裂纹扩展达临界值使，材料发生蠕变断 裂。

n 蠕变断裂究竟以何种方式发生，取 决于具体材料、应力水平、温度、加载 速率和环境介质等因素．23二、蠕变变形及断裂机理Ａ、在高应力高应变速率下，温度低时，金属材料通常发 生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这属于一种脆性断裂方 式，其断裂应变小，即使在较高温度下，多晶体在发生整体 屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过10％． 断口的典型 特征是韧窝．应力高时，这种由空洞长大的断裂方式瞬时发 生，不属于蠕变断裂； n Ｂ、在较低应力和较高温度下，通过在晶界空位聚集形成 空洞和空洞长大的方式发生晶界蠕变断裂，这种断裂是由扩 散控制的，但低温下由空位扩散导致的这种断裂过程十分缓 慢，实际上观察不到断裂的发生． 24二、蠕变变形及断裂机理n３、金属材料蠕变断裂断口的宏观特征（１）、在断口附近产生塑性变形，在变形区域 附近有很多裂纹，使断裂机件表面出现龟裂现象 ；n（２）、由于高温氧化，断口表面往往被一层氧 化膜所覆盖；n（３）、断口呈现冰糖状花样的沿晶断裂特征． 25三、蠕变性能指标蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定 性等力学性能指标来表示．1．蠕变极限：它表示材料对高温蠕变变形的抗力n 第一种方法：在给定温度下，使试样在蠕变第二 阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力定义为蠕变极 限，记作σεT MPa，其中T表示温度（℃），ε是表示第 二阶段的稳态蠕变速率（％／h）．例如σ500 1×10－5 ＝80Mpa，表示在500℃时，第二阶 段的稳态蠕变速率为1×10－5 ％／h的蠕变极限为80 MPa．在高温下长期服役的机件，常把蠕变速率等于 1×10－5 ％／h的应力定义为蠕变极限，作为选材和机 件设计的依据． 26三、蠕变性能指标n第二种：在给定温度和时间的条件下，使试样 产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变 极限，记作σTε/t（MPa）， 表示测试温度为T（ ℃），在t小时产生蠕变应变为ε时的蠕变极限.n 例如σ5001/10000＝100 MPa，即表示材料在 500℃时，10000 h产生1％的蠕 变应变的蠕变 极限为 100 MPa． 27三、蠕变性能指标n 在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，一 般采用这种定义方法． 对于按稳态蠕变速率定义的 蠕变极限，其测定程序为：n 在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出 不少于4条的蠕变曲线；求出蠕变曲线第二阶段直线 部分的斜率，此即稳态蠕变速率．同一温度下，蠕 变速率ε与外加应力σ之间存在下列经验关系：n ε＝Aσn （7一2）n式中：A和n是与材料及试验条件有关的常数，对于 单相合金n—3～6． 28三、蠕变性能指标n式（7一2）在对数坐标上代表一条斜率为n的直线，如 图7－9所示． 29三、蠕变性能指标n 利用线性回归分析法求出n和A之值后，再用 内插或外推法，或者式（7－2），即可求出规定 蠕变速率下的外加应力，即为蠕变极限．由此可 见，用较大的应力、较短时间作出的蠕变试验结 果，可用外推法求出较小应力、较长时间的蠕变 极限，从而节约大量的试验时间和经费，n 2．持久强度n（1）说明 ：某些在高温下工作的机件，蠕变变 形很小或对变形要求不严格，只要求机件在使用 期内不发生断裂．在这种情况下，要用持久强度 作为评价材料、设计机件的主要依据．30三、蠕变性能指标n（2）持久强度：是材料在一。